基于标准化降水指数的山东省近45年旱涝演变特征

任建成, 张婷婷

(滨州市气象局, 山东 滨州 256612)

旱涝灾害是普遍性的自然灾害，不仅会使农业受灾，严重的旱涝灾害甚至还会破坏生态环境。据统计，旱涝灾害自新中国成立以来一直是对我国农业生产影响最大的灾种，造成了巨大的粮食损失，占我国粮食生产总损失的80%以上[1]。

山东省东临太平洋，西接欧亚大陆，自然地理环境非常复杂，饱受陆地和海洋等多种自然灾害频繁袭击[2]，其中旱灾和水灾也是对山东省影响最大的灾种[3]。因此，研究山东省旱涝的演变特征，为山东省旱涝评估、防灾减灾提供气象学依据和支撑，具有重要的现实意义。

目前，已有的研究主要使用降水Z指数以及降水量距平百分率等探讨山东省的旱涝特征。如楚鹏等[4]基于降水Z指数开展山东省旱涝特征研究，发现鲁西南、鲁东南及山东半岛易发生等级较高的旱涝灾害；费艳琴等[5]以降水量距平百分率分析了山东省夏季降水的时空分布特征，发现山东夏季降水的时空分布极不均匀。随着全球气候变暖，山东省的极端天气事件频发，表现出干旱频发、旱涝急转等特征，因此，有必要结合干旱与雨涝特点，进一步对山东省旱涝年际及季节变化特征进行更加深入的分析。

降水是影响旱涝最直接的指标之一，1993年McKee等[6]提出标准化降水指数(SPI,Standardized Precipitation Index)的概念，该指数可以在不同时间尺度上客观反映研究区的旱涝变化特征，在国内外得到了广泛应用[7-11]，鉴于此，本文选用标准化降水指数来分析山东省的旱涝演变特征。

1 研究区概况

山东省地处中国东部、黄河下游，大致介于北纬34°22.9′—38°24.01′，东经114°47.5′—122°42.3′，是我国10个沿海省市之一。山东省属于暖温带季风气候，气候比较温和，雨量集中，四季分明。全省年平均气温大致遵循由西南向东北递减的规律，但各地平均气温多数都在13℃左右，地区差别不大。山东省降水量分布南多北少，大部分地区年平均降水量介于600～750 mm，降水季节分布很不均衡，夏季降水量可以占到全年降水量的60%～70%，易形成涝灾，冬、春及晚秋则降水偏少，容易发生旱灾，对农业生产的影响最大。

2 数据来源与方法

2.1 数据来源

降水数据源于中国气象数据网(http:∥data.cma.cn/)，包括山东省29个国家气象站点1971—2015年的逐月降水数据，经质量控制，选用其中25个气象站点的降水资料。

2.2 标准化降水指数

标准化降水指数的计算涉及到较复杂的Γ分布函数，在此不作具体讨论，具体计算过程可参考文献[12-13]，把旱涝分成不同的严重程度等级，具体等级划分见表1[14]。

表1 SPI旱涝等级分类

2.3 旱涝评估指标

本文选用旱涝指标包括旱涝发生频率、站次比和强度[15]。

(1) 旱涝频率。旱涝频率(Pi)可按不同程度旱涝发生的年数计算相应程度干旱频率，计算公式为：

Pi=(n/N)×100%

(1)

式中：n为某站点发生旱涝事件的年数;N为研究期总年数;i为某站点。

(2) 旱涝站次比。旱涝站次比(Pj)为研究区域旱涝事件发生站点数与总站点数的百分比，计算公式为：

Pj=(m/M)×100%

(2)

式中：m为发生旱涝事件的站点数;M为总站点数;j为某年份。

Pj表示研究区域旱涝事件发生的范围,可间接反映旱涝事件影响的严重程度。Pj<10%，无干旱或无雨涝；10%≤Pj<25%，局域性干旱或雨涝；25%≤Pj<33%，部分区域性干旱或雨涝；33%≤Pj<50%，区域性干旱或雨涝；50%≤Pj，全域性干旱或雨涝。

(3) 旱涝强度。旱涝强度(Sij)用来评价旱涝严重程度，表示某站在某一时间段内的旱涝强度，通常由SPI值反映，SPI的绝对值越大，表示旱涝强度越严重。计算公式为：

(3)

式中：m为发生旱涝事件的气象站数;i为某站点;j为某年份;|SPIi|为站点i的SPI绝对值。根据25个气象站点的降水数据,分别求出1971—2015年山东省逐月平均降水量,计算出的SPI12的绝对值即山东省当年发生的旱涝强度值。

3 结果与分析

3.1 山东省旱涝发生频率

SPI(12个月)可以反映旱涝的年际变化规律[16]。山东省多年平均干旱频率为24.4%，雨涝频率为31.1%，雨涝频率高于干旱频率。使用ArcGIS软件对全省旱涝频率进行反距离插值(图1)。

可以看出，全省旱涝频率地区不均，鲁西北东部、鲁西南东部、鲁中东部、鲁东南及半岛南部地区干旱发生频率较高。鲁西北中西部、鲁中大部及鲁南地区为雨涝高发区。全省多年不同旱涝等级发生频率差异较大(表2)。对比不同等级季节干旱的发生频率得到：春、夏、秋季干旱发生频率大体一致，冬季发生干旱的频率略低，夏、秋季易发生重旱以上干旱。春季和秋季发生雨涝的频率最高，冬季和秋季易发生重涝以上雨涝。

图1 山东省多年旱涝频率分布

表2 山东省不同月、季的旱涝发生频率

3.2 山东省旱涝发生范围

3.2.1 山东省年际旱涝发生范围 山东省近45 a旱涝站次比变化特征见图2。全省干旱站次比在0～96%波动，1977年、1981年、1983年、1986年、1988年、1989年、1992年、1997年、1999年、2002年、2006年、2014年干旱站次比均大于50%，发生了全域性干旱。45 a间，无干旱、局域性干旱、部分区域性干旱、区域性干旱发生的年数分别为：12，15，2，4 a。全省雨涝站次比在也是在0～96%波动，其中1971年、1973年、1974年、1985年、1990年、1993年、1998年、2003年、2004年、2005年、2007年雨涝站次比大于50%，发生了全域性雨涝。45 a间，无雨涝、局域性雨涝、部分区域性雨涝、区域性雨涝发生的年数分别为：12，9，8，5 a。总体来看，全省旱涝影响范围大致相当，全域性干旱发生的概率略高于全域性雨涝发生的概率。20世纪80，90年代发生全域性干旱最多，而21世纪10年代发生全域性雨涝最多。

图2 1971-2015年山东省旱涝站次比变化特征

3.2.2 山东省季节旱涝发生范围 研究表明[16]，可以使用3个月时间尺度的SPI进行季节干旱特征分析。基于山东省气候特点，分别用3—5月、6—8月、9—11月、12月—次年2月的SPI值，代表春夏秋冬四季的SPI值(图3)。

图3 1971-2015年山东省不同季节旱涝站次比变化特征

(1) 春季(图3A)。山东省春季雨涝的影响范围略高于干旱，全域性雨涝的影响范围明显高于全域性干旱的范围。1971—2015年春季，山东省发生全域性、区域性、部分区域性、局域性干旱事件的年数分别为9，6，8，7 a；全域性、区域性、部分区域性、局域性雨涝事件发生的年数分别为：14，3，5，9 a。20世纪80年代后，山东省春季雨涝影响范围呈现逐步扩大的态势，而干旱影响范围呈现逐步减少的趋势。

(2) 夏季(图3B)。山东省夏季雨涝的影响范围明显高于干旱。45 a间夏季，山东省发生全域性、区域性、部分区域性、局域性干旱的年数分别为8，8，6，8 a；全域性、区域性、部分区域性、局域性雨涝发生的年数分别为：11，11，2，11 a。从趋势线变化来看，夏季干旱趋势线波动起伏较大，雨涝趋势线相对比较平缓，这与山东省气候雨热同期，降水主要集中在夏季的气候特点是一致的。

(3) 秋季(图3C)。山东省秋季雨涝的影响范围略高于干旱，全域性雨涝的影响范围低于全域性干旱。45 a间秋季，山东省发生全域性、区域性、部分区域性、局域性干旱的年数分别为12，4，1，11 a；全域性、区域性、部分区域性、局域性雨涝发生的年数分别为：9，11，2，8 a。从变化趋势来看，进入21世纪，雨涝影响范围呈现缓慢扩大的趋势，而干旱的影响范围则呈现缓慢减少的趋势。

(4) 冬季(图3D)。山东省冬季干旱的影响范围高于雨涝，全域性干旱发生年数略低于全域性雨涝的发生年数。冬季发生全域性、区域性、部分区域性、局域性干旱的年数分别为10，4，1，13 a；全域性、区域性、部分区域性、局域性雨涝发生的年数分别为：12，6，1，6 a。从发展趋势来看，雨涝影响范围呈缓慢减少的趋势，干旱影响范围呈现先缓慢上升后缓慢减少的趋势。

3.3 山东省旱涝发生强度

3.3.1 山东省年际旱涝发生强度 由图4可以看出，山东省近45 a的SPI值在-2.2～2.29变化。特旱、重旱、中旱发生年数分别为1，3，7 a，特涝、重涝、中涝发生年数分别为1，2，2 a。可以看出，山东省雨涝以轻涝为主，中涝以上雨涝远少于中旱以上干旱发生的年数。45 a间，山东省平均干旱强度为-1.44，为中旱级别，接近重旱级别；平均雨涝强度为1.04，达到中涝级别，略高于轻涝级别。山东省45 a间正常年份为20 a，每年发生旱涝事件的概率约为56%。从发展趋势来看，进入21世纪，趋势线缓慢上升，说明近年来山东省气候有缓慢变湿的趋势。

3.3.2 山东省季节旱涝发生强度 (1) 春季(图5A)。山东省春季旱涝呈交替出现的特点。SPI值为-2.69～1.82。45 a间，山东省春季发生雨涝的年数多于发生干旱的年数，但旱涝级别差异明显。45 a间春季发生特旱、重旱和中旱各2 a，发生重涝和轻涝的年数分别为2，6 a，没有特涝发生。春季SPI值总体上呈缓慢上升趋势，干旱强度大于雨涝强度。

图4 1971-2015年山东省旱涝强度(SPI12)变化特征

(2) 夏季(图5B)。山东省夏季旱涝呈现交替出现趋势。SPI值为-2.42～2.06。夏季发生雨涝的年数略多于发生干旱的年数，夏季发生特旱和特涝各1 a，发生中旱和中涝各1 a，发生重旱年数为5 a，远多于发生重涝的年数1 a。夏季SPI值总体上呈缓慢下降趋势，干旱强度大于雨涝强度。

(3) 秋季(图5C)。山东省秋季在20世纪70年代旱涝状态以正常为主，而后呈现旱涝交替出现的特点。SPI值为-2.36～2.09，秋季发生雨涝的年数多于发生干旱的年数，旱涝级别差异明显。秋季发生特旱、重旱、重旱的年数分别为2，4，2 a，发生特涝、重涝、中涝的年数分别为1，2，3 a，重旱以上旱情发生的年数远高于重涝以上涝情发生的年数。秋季SPI值呈缓慢下降趋势，干旱强度大于雨涝强度。

(4) 冬季(图5D)。山东省冬季旱涝呈现交替出现趋势。SPI值为-2.31～1.77。冬季发生雨涝的年数多于发生干旱的年数，旱涝级别差异明显。45 a中山东省冬季发生特旱和重旱各2 a，中旱的发生年数为3 a，重涝和中涝发生年数分别为3，6 a，没有特涝发生。冬季SPI值变化不明显，干旱强度大于雨涝强度。

图5 1971-2015年山东省不同季节SPI值变化趋势

3.4 山东省旱涝年代际变化

由于计算标准化降水指数需对降水数据进行均化，可能导致部分季节、年际旱涝强度值不存在。为了进一步研究山东省旱涝长期演变特征，需对各年代际不同季节的旱涝影响范围及强度进行分析(图6)。

图6 山东省各年代旱涝站次比、旱涝强度

分析山东省各年代旱涝影响范围及强度可以看出：总体来说，山东省受干旱的影响大于雨涝，但20世纪70年代雨涝的强度和范围均明显大于干旱，21世纪10年代干旱的影响范围小于雨涝。干旱的影响范围在20世纪80年代最大，平均干旱站次比达到55.1%，同时也是干旱强度最大值出现的年代，达到1.65，雨涝的影响范围在21世纪10年代最大，平均雨涝站次比达到52%，雨涝强度最大值出现在20世纪80年代，达到1.55。

从年代际季节旱涝特征来看，20世纪80年代的秋季干旱影响范围最大，平均干旱站次比达到了60%，20世纪70，80，90年代的冬季、20世纪90年代的夏季及21世纪10年代的秋季，平均干旱站次比均高于50%；20世纪80年代的冬季雨涝影响范围最大，平均雨涝站次比达到68%，20世纪70年代的冬季、90年代的秋季和冬季、21世纪10年代的春季，2011—2015年期间的冬季，平均雨涝站次比高于50%。21世纪10年代的春季干旱强度最大，平均干旱强度值达到2.7，其次为20世纪10年代的夏季，平均干旱强度值达到2.4，20世纪70年代、80年代和90年代的冬季、20世纪90年代的夏季，平均干旱强度均大于1.5；21世纪10年代的冬季雨涝强度最大，平均雨涝强度达到1.51，其他年代各季节平均雨涝强度均低于1.5。

4 结论与讨论

(1) 山东省多年平均雨涝频率高于干旱频率，但不同旱涝等级、不同地区的旱涝发生频率差异较大。春、夏、秋季干旱发生频率大体一致，冬季发生干旱的频率略低，夏、秋季易发生重旱以上干旱。春季和秋季发生雨涝的频率最高，冬季和秋季易发生重涝以上雨涝。总体上山东省旱涝事件呈常态化发展趋势，从月份、季节及年际上发生旱涝事件的可能性均较大。

(2) 山东省旱涝影响范围大致相当，全域性干旱发生概率略高于全域性雨涝发生概率。各季节旱涝状态以交替出现为主，但20世纪70年代的秋季旱涝状态以正常为主。各季节发生雨涝年数均高于发生干旱的年数，但多年和各季节的平均干旱强度均高于平均雨涝强度。

(3) 从年代际旱涝特征来看，山东省受干旱的影响总体上大于雨涝，但20世纪70年代雨涝的强度和范围均明显大于干旱，21世纪10年代干旱的影响范围小于雨涝。20世纪80年代的秋季干旱影响范围最大，20世纪80年代的冬季雨涝影响范围最大。

本文结合山东省的气候特点，基于标准化降水指数，从整体上对山东省旱涝年际及季节变化特征进行了比较深入的分析，以期为山东省旱涝评估、防灾减灾提供气象学依据和支撑。但标准化降水指数仅使用了降水因素，计算方法存在一定的不足之处；且山东省自然地理环境非常复杂，受陆地和海洋气候的共同影响，不同地域间旱涝特征差异较大。因此，下一步还需结合温度等其他旱涝指标，因地制宜的探讨山东省不同地域的旱涝特征。